水冷背板在云計算機架中應用的可行性探討

鐘志鯤

（中國電信上海公司電源空調中心）

0 引 言

云計算現(xiàn)在炙手可熱，但云計算的定義卻眾說紛紜。對于運營商來講，云計算是一種商用計算模型，它將計算任務分布在大量計算機構成的資源池上，使各種應用系統(tǒng)能夠根據(jù)需要獲取計算能力、存儲空間和信息服務。

云計算系統(tǒng)架構分為服務系統(tǒng)和管理系統(tǒng)兩大部分。在服務方面，主要以提供用戶基于云的各種服務為主，共包含3個層次：基礎設施即服務IaaS、平臺即服務PaaS、軟件即服務SaaS。在管理方面，主要以云的管理層為主，它的功能是確保整個云計算中心能夠安全、穩(wěn)定地運行，并且能夠被有效管理。對于一個優(yōu)秀的云系統(tǒng)，一定是從基礎設施開始的，而動力系統(tǒng)，又是IaaS的重點，是可靠的高容量電源和良好的散熱途徑。

散熱問題一直是機房安全穩(wěn)定運行的關鍵和難點。對于目前應用的空調系統(tǒng)而言，風仍然是機房載冷的主體，因此問題就變得復雜，甚至會成為云機房發(fā)展的瓶頸。

1 云計算機架的容量問題

在云計算的潮流下，云計算數(shù)據(jù)中心具有超大規(guī)模和降低運維成本等特點。迫于市場競爭的壓力，云計算的機架必須是高密度。由于目前并沒有規(guī)范性的要求，因此各運營商所建設的云機房容量也不一致，就目前的實際情況看，8～10 k W／機架是起始點，32 k W甚至更高是目標點。

由此，云機架的熱密度已經(jīng)完全顛覆了傳統(tǒng)的觀念：例如，2 k W、3 k W、4 k W或2 k W、4 k W、6 k W等低、中、高密度的分法。熱密度不大于6 k W／機架、6～12 k W／機架、大于12 k W／機架將成為新的三段熱密度門限。

在十多年IDC機房的維護過程中，大量的經(jīng)驗和教訓告訴我們，散熱是數(shù)據(jù)機房的一個難題，也是必須解決的問題，即使在低密度機房，問題都很突出。而高密度，會使問題變得更尖銳和難于解決。

2 載冷問題

傳統(tǒng)機房一般使用風為直接載冷，這種情況目前還沒有很大的改觀，主要是服務器目前還是使用風扇散熱的。但是，從輸送冷量的方式上分析，水輸送冷量還是有很大的優(yōu)勢的。以專用空調10KJ／KG的冷風比計算，1個6 k W的機架，每小時需要2 160 kg的空氣，折合1 670 m3／h，以風速3 m／s計，需要0.155 m2的通風截面。若以水來載冷，6 k W冷量需要5℃溫差的水1.04噸，DN40的水管在2 m／s的流速下就可以滿足。因此水系統(tǒng)只需要風系統(tǒng)的1%～1.5%的通道截面即可，可以節(jié)約大量機房空間。

而在載冷物質驅動能耗方面，氣流是需要空調的風機作為驅動源的，而水系統(tǒng)是水泵作為驅動。一般風系統(tǒng)，每輸送15 k W的冷量，就會需要1 k W的風機功耗。水系統(tǒng)的輸送能耗會低一半，600 k W的冷量大約20 k W的電機驅動的水泵即可，折合30 k W／1 k W。并且，風機馬達的熱量是耗散在室內的，功率將全部需要冷量充抵，水泵的電機只是通過聯(lián)軸器把機械功傳遞給水系統(tǒng)，電機的發(fā)熱是隔絕在冷水系統(tǒng)之外的。

在利用自然冷源方面，雖然直接利用室外空氣是最直接的、最高效的方法，但直接的質交換使灰塵、濕度的控制難度比較大，而且需要對增加不少通風設備、開鑿大面積的墻洞。而利用水系統(tǒng)，只需要改變外圍管路，可以直接利用冷卻塔供冷，即使考慮水質問題，也只需要增加干式冷卻塔即可，無需改動室內機組，避免了灰塵、加濕等難題。

3 計算機愛好者的實踐

從奔騰5的CPU芯片應用開始，計算機的愛好者就開始進行原始的DIY方式，解決CPU發(fā)熱量大且速度慢的問題，用水冷的散熱器替代原來的金屬鋁散熱片＋風扇的方式，取得了很好的效果，甚至可以將CPU的主頻提高30%以上，而工作溫度比設計問題還低（見圖1）。

后來，國外的一些廠商，研制了大量的高品質的液冷散熱器，象 KOOLANCE、Heat Killer、Bitspower等（見圖2）。對于提高液冷系統(tǒng)的安全性，起到了很好的推動作用，也為在大型數(shù)據(jù)機架上使用奠定了基礎。多達數(shù)百萬臺的應用表明，只要采用質量可靠的部件，安裝（尤其是接頭部分）牢固，漏水的幾率非常小，并且由于系統(tǒng)水量小，漏水也很少造成嚴重傷害。

圖1 計算機的水冷系統(tǒng)

圖2 各種CPU冷卻頭

4 數(shù)據(jù)機架應用液冷的方式

液冷是空氣冷卻能力的幾十到上百倍，而且由于液體的比熱容大，熱穩(wěn)定性很好，能對發(fā)熱部件提供相對恒定的溫度環(huán)境。因此，液冷衍生出幾種運用方式：

（1）冷凍水專用空調方式：集中制備冷凍水，專用空調利用表冷器冷卻機房回風，用專用空調風機送風冷卻設備。這種方式離熱源最遠。

（2）列間空調方式：在每列服務器機架中，夾雜幾個冷凍水列間空調，機架排風面為列間空調的進風口，機架的前面板方向為列間空調的送風口，列間空調使用多臺小風機作為風路循環(huán)驅動。這種方式使冷水更靠近熱源，依舊使用空氣載冷，但風的方向要在很小的范圍2次轉向才能完成氣流循環(huán)，因此不是很合理，容易形成亂流（見圖3）。

圖3 列間空調方式

（3）水冷背板方式：在機架背后直接懸掛水表冷器，無額外風機驅動，僅靠服務器內的風扇驅動氣流，熱量幾乎是在產(chǎn)生點被直接對沖，機架總排風已基本不含高熱。

（4）液體包方式：一般是液體包與機架整體設計，服務器處于液體冷卻板的包裹之中，對已經(jīng)在用的機架很難改造。液體包方式可以采用封閉式機柜，柜中有一套封閉的空氣循環(huán)系統(tǒng)，這套空氣循環(huán)系統(tǒng)與機房內環(huán)境相對獨立。

液體直接冷卻芯片：芯片的散熱翅片改為水冷頭，液體直接接入水冷頭。目前很少有服務器能直接使用液冷。

圖4為各種冷卻方式的適用情況，水冷背板的適用范圍廣，可以應用于6～30 k W／機架的密度，而且無需外加風扇。

圖4 各種冷卻方式適用情況

5 水冷背板＋冷水分配器的運用方式

圖5 冷水機＋冷水分配器方式

圖6 機架上改造的水冷背板

冷水機組制備冷凍水，供給冷水分配器（CDU）（見圖5～圖7）。冷水分配器需要起到3個主要作用：⑴將大系統(tǒng)的水壓降低，一般用板式換熱器，類似電源中的變壓器。⑵調節(jié)一次側和二次側的流量，以控制二次側的水溫高于機房露點溫度，防止結露。⑶合理分配二次側各支路的流量，適應各機架的熱負荷。

圖7 冷水分配器CDU

設計優(yōu)良的CDU在進水、出水、水泵等都為雙路由，確保系統(tǒng)在使用期間可以進行在線維護、維修。在二次側管路全部使用高壓部件，但運行時保持低壓力、小水量的水系統(tǒng)，同時具有完備的漏水檢測系統(tǒng)，使機房免于水患。一般在二次側僅有幾十升的水量，一個標準背板的水容量只有2～3升。

6 水冷背板的應用效果

在實驗環(huán)境中，服務器的排風口最高溫度達43℃，即使與其他機位的氣流混合，在機架背后60 c m處，仍達到31℃。利用傳統(tǒng)專用空調方式制冷，空調機組就必須將31℃的回風冷卻，再通過風路送到機架進風處（見圖8）。

圖8 實驗環(huán)境中機架排風溫度

圖9 使用冷水背板后機架排風溫度

而使用了冷水背板之后，機架排風溫度明顯下降，實驗中得到了平均溫度下降到19℃，甚至低于機架的進風溫度。此時機架已經(jīng)不是熱源，對機房而言，可以認為是一臺“小空調”（見圖9）。

8 結 語

隨著云機房的出現(xiàn)和發(fā)展，高熱密度將成為機房的潛在危險，在單機架的容量超過6 k W后，傳統(tǒng)的氣流冷卻方式很難解決散熱問題，水冷背板將是解決這一難題的最佳輔助方法之一。而且，水冷背板在現(xiàn)網(wǎng)的改造是非常方便的。